(57)【要約】受光素子の感度が低いという課題を解決する受光素子及びそれを備えた光通信デバイス、並びに受光素子の製造方法及び光通信デバイスの製造方法を提供する。受光素子は、基板と、基板上に位置する下クラッド層と、下クラッド層上に位置する光導波路と、光導波路上に位置する中間層と、中間層上に位置する光吸収層と、光吸収層上に位置する一対の電極と、を有し、光吸収層は単結晶構造のＩＶ族半導体又はＩＩＩ−Ｖ族半導体からなり、光吸収層は、前記光導波路を伝播する光信号を吸収する。
2012008272.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に位置する下クラッド層と、
前記下クラッド層上に位置する光導波路と、
前記光導波路上に位置する中間層と、
前記中間層上に位置する光吸収層と、
前記光吸収層上に位置する一対の電極と、を有し、
前記光吸収層は単結晶構造のＩＶ族半導体又はＩＩＩ−Ｖ族半導体からなり、
前記光吸収層は、前記光導波路を伝播する光信号を吸収する受光素子。
【請求項２】
前記光吸収層は、ＳｉｘＧｅ１−ｘ（０≦ｘ≦１）からなる請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記光吸収層の端部のみが、前記中間層を介して前記光導波路上に位置する請求項１又は２に記載の受光素子。
【請求項４】
前記光導波路の端部がテーパ構造を有し、前記端部が前記中間層を介して前記光吸収層下に位置する請求項１から３のいずれか一項に記載の受光素子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の受光素子を備える光通信デバイス。
【請求項６】
基板と、前記基板上に位置する下クラッド層と、前記下クラッド層上に位置する光導波路と、前記光導波路上に位置する中間層と、前記基板上に位置する成長下地層と、を有する第１の素子の前記成長下地層から、前記成長下地層に略垂直な方向に結晶を成長させ、
成長した前記結晶が前記中間層の高さに達した後に、前記結晶を前記中間層の上面に略平行な方向に成長させて、前記中間層上に光吸収層を形成し、
前記光吸収層上に一対の電極を形成する受光素子の製造方法。
【請求項７】
前記基板上に下クラッド層を形成し、
前記下クラッド層上に半導体層を形成し、
前記半導体層をエッチングして、前記光導波路と前記成長下地層とを形成して、前記第１の素子を用意する請求項６に記載の受光素子の製造方法。
【請求項８】
前記光吸収層は、単結晶構造、多結晶、又はアモルファス構造のＩＶ族半導体又はＩＩＩ−Ｖ族半導体である請求項６又は７に記載の受光素子の製造方法。
【請求項９】
前記光吸収層は、単結晶構造である請求項８に記載の受光素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項６から９のいずれか１項に記載の受光素子の製造方法により製造された受光素子を用いて光通信デバイスを形成する光通信デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子及びそれを備えた光通信デバイス、並びに受光素子の製造方法及び光通信デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコンＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（ＣＭＯＳ）回路のプロセス技術を用いて光集積回路を作製することにより、高性能かつ安価な光インターコネクト装置を実現できると期待されている。光集積回路に必須な素子の一つに受光素子がある。受光素子は、高速かつ高感度で、光吸収長が短く小型であることが望ましい。コストおよび歩留まりの観点からは、Ｓｉ導波路とモノリシック集積可能なＳｉｘＧｅ１−ｘ（０≦ｘ≦１）を用いたフォトダイオードが有望視されている。
例えば、特許文献１には、Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）基板上に集積したポリゲルマニウムを用いた導波路検出器が開示されている。
また、非特許文献１には、Ｓｉ層を下地層として、ＳｉＯ２膜のトレンチ部分にＧｅ層を選択エピタキシャル成長させ、さらにＧｅ層をＳｉＯ２膜上に横方向成長させることにより、欠陥密度が低いＧｅ層を形成する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００６−５２２４６５号公報（段落「００３０」、「００１８」、図５）
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｊ．Ｓ．Ｐａｒｋ  ｅｔ  ａｌ．，Ｌｏｗ−Ｄｅｆｅｃｔ−Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｇｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ  ｏｎ  Ｓｉ（００１）Ｕｓｉｎｇ  Ａｓｐｅｃｔ  Ｒａｔｉｏ  Ｔｒａｐｐｉｎｇ  ａｎｄ  Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ，Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  １２  ｐ．１４２（２００９）（Ｆｉｇ．１）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の受光素子においては、光吸収層として用いるポリゲルマニウムが多結晶構造であるため、光吸収層の欠陥密度が大きい。そのため、電極間に流れる暗電流が大きく、受光素子の感度が低いという課題があった。
また、非特許文献１には欠陥密度が低いＧｅ層を形成する方法が開示されているが、この方法を受光素子の製造方法に適用することについては開示されていない。
本発明の目的は、上述した課題である、受光素子の感度が低いという課題を解決する受光素子及びそれを備えた光通信デバイス、並びに受光素子の製造方法及び光通信デバイスの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の受光素子は、基板と、基板上に位置する下クラッド層と、下クラッド層上に位置する光導波路と、光導波路上に位置する中間層と、中間層上に位置する光吸収層と、光吸収層上に位置する一対の電極と、を有し、光吸収層は単結晶構造のＩＶ族半導体又はＩＩＩ−Ｖ族半導体からなり、光吸収層は、光導波路を伝播する光信号を吸収する。
また、本発明の光通信デバイスは、基板と、基板上に位置する下クラッド層と、下クラッド層上に位置する光導波路と、光導波路上に位置する中間層と、中間層上に位置する光吸収層と、光吸収層上に位置する一対の電極と、を有し、光吸収層は単結晶構造のＩＶ族半導体又はＩＩＩ−Ｖ族半導体からなり、光吸収層は、光導波路を伝播する光信号を吸収する受光素子を備える。
また、本発明の受光素子の製造方法は、基板と、基板上に位置する下クラッド層と、下クラッド層上に位置する光導波路と、光導波路上に位置する中間層と、基板上に位置する成長下地層と、を有する第１の素子の成長下地層から、成長下地層に略垂直な方向に結晶を成長させ、成長した結晶が中間層の高さに達した後に、結晶を中間層の上面に略平行な方向に成長させて、中間層上に光吸収層を形成し、光吸収層上に一対の電極を形成する。
また、本発明の光通信デバイスの製造方法は、基板と、基板上に位置する下クラッド層と、下クラッド層上に位置する光導波路と、光導波路上に位置する中間層と、基板上に位置する成長下地層と、を有する第１の素子の成長下地層から、成長下地層に略垂直な方向に結晶を成長させ、成長した結晶が中間層の高さに達した後に、結晶を中間層の上面に略平行な方向に成長させて、中間層上に光吸収層を形成し、光吸収層上に一対の電極を形成して得た受光素子を、用いて光通信デバイスを形成する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の受光素子によれば、受光素子を高感度化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
図１Ａ〜１Ｃは、本発明の第１の実施形態に係る受光素子の（Ａ）平面図、（Ｂ）平面図（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線断面図、および（Ｃ）平面図（Ａ）の１Ｃ−１Ｃ線断面図である。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る別の受光素子の断面図である。
図３ＡＩ〜３ＤＩおよび図３ＡＩＩ〜３ＤＩＩは、本発明の第１の実施形態に係る受光素子の製造方法を示す図であって、所定の工程における素子の（ＡＩ）平面図（ＡＩＩ）の３ＡＩ−３ＡＩ線断面図および（ＡＩＩ）平面図、別の工程における素子の（ＢＩ）平面図（ＢＩＩ）の３ＢＩ−３ＢＩ線断面図および（ＢＩＩ）平面図、さらに別の工程における素子の（ＣＩ）平面図（ＣＩＩ）の３ＣＩ−３ＣＩ線断面図および（ＣＩＩ）平面図、並びに、さらに別の工程における素子の（ＤＩ）平面図（ＤＩＩ）の３ＤＩ−３ＤＩ線断面図および（ＤＩＩ）平面図である。
図４ＡＩ〜４ＤＩおよび図４ＡＩＩ〜４ＤＩＩは、本発明の第１の実施形態に係る受光素子の製造方法を示す図であって、所定の工程における素子の（ＡＩ）平面図（ＡＩＩ）の４ＡＩ−４ＡＩ線断面図および（ＡＩＩ）平面図、別の工程における素子の（ＢＩ）平面図（ＢＩＩ）の４ＢＩ−４ＢＩ線断面図および（ＢＩＩ）平面図、さらに別の工程における素子の（ＣＩ）平面図（ＣＩＩ）の４ＣＩ−４ＣＩ線断面図および（ＣＩＩ）平面図、並びに、さらに別の工程における素子の（ＤＩ）平面図（ＤＩＩ）の４ＤＩ−４ＤＩ線断面図および（ＤＩＩ）平面図である。
図５Ａ〜５Ｃは、本発明の第２の実施形態に係る受光素子の（Ａ）平面図、（Ｂ）平面図（Ａ）の５Ｂ−５Ｂ線断面図、および（Ｃ）平面図（Ａ）の５Ｃ−５Ｃ線断面図である。
図６ＡＩ〜ＢＩおよび図６ＡＩＩ〜６ＢＩＩは、本発明の第２の実施形態に係る受光素子の製造方法を示す図であって、所定の工程における素子の（ＡＩ）平面図（ＡＩＩ）の６ＡＩ−６ＡＩ線断面図および（ＡＩＩ）平面図、並びに、別の工程における素子の（ＢＩ）平面図（ＢＩＩ）の６ＢＩ−６ＢＩ線断面図および（ＢＩＩ）平面図である。
図７Ａおよび図７Ｂは、本発明の第３の実施形態に係る受光素子の（Ａ）平面図、（Ｂ）平面図（Ａ）の７Ｂ−７Ｂ線断面図である。
図８は、本発明の第４の実施形態に係る受光素子の断面図である。
図９は、本発明の第５の実施形態に係る受光素子の断面図である。
図１０は、本発明の第６の実施形態に係る光通信デバイスの断面図である。
図１１は、本発明の第７の実施形態に係る光通信デバイスの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
〔実施形態１〕
図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る受光素子１００の平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の平面図の１Ｂ−１Ｂ線断面図である。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）平面図の１Ｃ−１Ｃ線断面図である。なお、説明の便宜のために、図１（Ａ）の図中には上クラッド層１０７を表さないこととする。受光素子１００は、図１（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、Ｓｉなどからなる基板１０４と、基板１０４上に位置する下クラッド層１０５と、下クラッド層１０５上に位置する光導波路１０１とを備える。下クラッド層１０５には、例えば、ＳｉＯ２を用いることができる。また、光導波路１０１には、例えば、Ｓｉを用いることができる。さらに、光導波路１０１上には、ＳｉＯ２などからなる中間層１０６が配置される。さらに、中間層１０６上には光吸収層１０２が配置される。さらに、光吸収層１０２上には、一対の電極１０３が配置される。光吸収層１０２は単結晶構造のＳｉｘＧｅ１−ｘ（０≦ｘ≦１）からなる。光吸収層１０２は、光導波路１０１を伝播する光信号を吸収する。受光素子１００は、電極１０３や光吸収層１０２を被覆する上クラッド層１０７を有する。
本実施形態の受光素子１００によれば、光吸収層１０２は単結晶構造のＳｉｘＧｅ１−ｘ（０≦ｘ≦１）からなる。そのため、本実施形態の受光素子１００が備える光吸収層１０２の欠陥密度は、特許文献１に記載の多結晶構造のポリゲルマニウムを堆積して形成される光吸収層の欠陥密度より小さい。その結果、本実施形態の受光素子１００では、電極１０３の間に発生する暗電流を小さくすることができ、受光素子１００の感度の低下を防ぐことができる。すなわち、受光素子１００を高感度化することができる。
また、本実施形態の受光素子１００によれば、光導波路１０１と光吸収層１０２とが光結合する箇所に不純物ドーピング領域が不要となる。そのため、光導波路１０１を伝播する光信号が、光吸収層１０２に至る前に、不純物により吸収されるのを防ぐことができる。
また、本実施形態の受光素子１００は、光吸収層１０２の下に屈折率が比較的小さいＳｉＯ２からなる中間層１０６を備えることとしたため、強い光閉じ込め効果を得ることができる。その結果、受光素子１００は高速に動作することができる。また、光吸収層１０２が吸収する光の吸収長を短くすることができる。
前述の説明では、基板１０４、光導波路１０１、光吸収層１０２などの材料を具体的に特定したが、本実施形態に係る受光素子１００の各構成はこれらの材料に限定されるものではない。各構成に用いる材料は、目的や使用波長に応じて適宜選択することができ、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、ＳｎなどのＩＶ族やＩＩＩ−Ｖ族の半導体を用いることとしても良い。特に好ましくは、標準的シリコンＣＭＯＳプロセスを利用できるＳｉの基板１０４を用い、光通信波長帯を吸収することのできるＳｉｘＧｅ１−ｘ（０≦ｘ≦１）を光吸収層１０２に用いるのが良い。
基板１０４には、バルクＳｉ基板を用いても良いし、ＳＯＩ基板を用いても良い。下クラッド層１０５、中間層１０６、上クラッド層１０７には、ＳｉおよびＳｉｘＧｅ１−ｘとの親和性が高いＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮなどを用いるのが望ましく、特に、安定した状態の膜を容易に形成することが可能なＳｉＯ２を用いるのが望ましい。
光吸収層１０２を構成するＳｉとＧｅの組成比は、入射光波長および成膜条件を鑑みて適宜決定されることとしても良い。このとき、光吸収層１０２が入射光波長に対して十分な吸収係数を有するように、光吸収層１０２を構成するＳｉとＧｅの組成比を決定するのが望ましい。
光吸収層１０２を構成するＳｉとＧｅの組成比を制御することにより、光の吸収長を短くすることができる。例えば、光通信波長帯を用いる場合、ＳｉｘＧｅ１−ｘ（０≦ｘ≦１）のｘを０として、光吸収層１０２をＧｅのみから構成することで、光の吸収長を短くすることができる。
中間層１０６の厚さは薄い方が望ましく、特に、光導波路１０１の厚さと同程度以下にするのが望ましい。これにより、光導波路１０１を伝播してきた光信号を光吸収層１０２に短い結合長で移行させることができる。
また、受光素子の高速動作を実現するためには、対になる電極１０３の間隔を小さくすることが望ましく、より具体的には１μｍ以下にするのが望ましい。
受光素子１００は上クラッド層１０７を備えない構成としても良い。なお、上クラッド層１０７は、クラッドとしての機能を備えるだけではなく、保護膜としての機能も備える。
電極１０３上の上クラッド層１０７をエッチング等で除去しても良い。これにより、電極１０３と外部の回路とを電気的に接続することができる。
本実施形態に係る受光素子１００は、ＭＳＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）型フォトダイオードであっても良く、ＰＩＮ（Ｐ−ｔｙｐｅ−Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−Ｎ−ｔｙｐｅ）型フォトダイオードであっても良い。受光素子１００をＭＳＭ型フォトダイオードとする場合、電極１０３には、標準的なシリコンＣＭＯＳプロセスで使用され、半導体と良好なショットキー接合を形成する金属を用いるのが望ましい。また、電極１０３には、半導体表面との密着性を高めるための金属やバリアメタルなどの複数の金属材料を用いても良い。図１に示す受光素子１００は、一方の電極１０３、光吸収層１０２、他方の電極１０３で構成するラテラル方向（横方向）のＭＳＭ構造を有するフォトダイオードである。
受光素子がＰＩＮ型フォトダイオードである例を、図２を用いて説明する。図２は、受光素子１５０の断面図である。受光素子１５０は、ラテラル方向（横方向）のＰＩＮ構造を備えている。受光素子１５０は、基板１０４と、基板１０４上に位置する下クラッド層１０５と、下クラッド層１０５上に位置する光導波路１０１とを備える。さらに、光導波路１０１上には、中間層１０６が配置される。さらに、中間層１０６上には光吸収層１０２が配置される。さらに、光吸収層１０２の上に、ｐ型半導体１０８とｎ型半導体１０９が配置される。また、ｐ型半導体１０８の上にｐ電極１１０が配置され、ｎ型半導体１０９の上にｎ電極１１１が配置される。ｐ型半導体１０８やｎ型半導体１０９には、Ｇｅなどを材料として用いることができるが、材料はこれに限定されるものではない。
ＰＩＮ型フォトダイオードの製造プロセスでは、ｐ電極１１０及びｎ電極１１１の近傍にイオン注入を行うため、ＭＳＭ型フォトダイオードの製造プロセスよりも複雑である。しかしながら、ＰＩＮ型フォトダイオードの方がＭＳＭ型フォトダイオードよりも暗電流を小さくすることができ、より安定した動作を実現することできる。
本実施形態に係る受光素子１００を光通信デバイスの受光部として用いることができる。例えば、基板上に本発明の受光素子を形成し、さらに同一基板上にＬＳＩ電子回路をモノリシックに集積することにより、光インターコネクションモジュールを構成することができる。
次に本実施形態に係る受光素子の製造方法について図３、図４を用いて説明する。図３（ＡＩ）〜図３（ＤＩ）、図４（ＡＩ）〜図４（ＤＩ）は各製造工程における受光素子の断面図である。図３（ＡＩＩ）〜図３（ＤＩＩ）、図４（ＡＩＩ）〜図４（ＤＩＩ）は、各製造工程における受光素子の平面図である。なお、説明の便宜のために、図３（ＡＩＩ）〜図３（ＤＩＩ）、図４（ＡＩＩ）〜図４（ＤＩＩ）の図中には上クラッド層１０７を表さないこととする。
はじめに、基板１０４上に下クラッド層１０５を形成し、形成した下クラッド層１０５上に半導体層１１５を形成する（図３（ＡＩ），図３（ＡＩＩ））。なお、このような構造を備えるＳＯＩ基板を用いることとしても良い。
次に、半導体層１１５をエッチングして、光導波路１０１と成長下地層１１３とを形成する（図３（ＢＩ））。このとき、基板上の、光導波路１０１の一方の端部側の領域にのみ成長下地層１１３が配置されるように、半導体層１１５をエッチングすると良い（図３（ＢＩＩ））。
次に、化学気相成長法などを用いて中間層１０６を形成する（図３（ＣＩ），図３（ＣＩＩ））。
次に、Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ（ＣＭＰ）などを用いて中間層１０６を平坦化する（図３（ＤＩ），図３（ＤＩＩ））。
次に、成長下地層１１３の領域上にある中間層１０６をエッチングなどにより除去する（図４（ＡＩ），図４（ＡＩＩ））。なお、図４（ＡＩ）、図４（ＡＩＩ）に示す状態の素子を第１の素子と呼ぶ。
次に、ＧｅＨ４等を原料ガスとして、化学気相成長法などを用いて成長下地層１１３をエピタキシャル成長させる。その結果、まずは、成長下地層１１３の上に、縦方向に成長した結晶である縦方向成長半導体層１１４が形成される。ここで、縦方向とは、成長下地層１１３に略垂直な方向をいう。結晶は、縦方向成長半導体層１１４の成長面の高さが中間層１０６の高さに達しても、成長し続ける。すると、結晶は、縦方向成長半導体層１１４の横方向にも成長する。そして、横方向に成長した結晶により、中間層１０６の上に光吸収層１０２が形成される（図４（ＢＩ），図４（ＢＩＩ））。ここで、横方向とは、中間層１０６の上面に略平行な方向をいう。また、結晶が縦方向に成長することを縦方向成長と呼ぶこととする。また、縦方向成長する結晶が、さらに横方向に成長することを横方向成長と呼ぶこととする。
次に、成長下地層１１３と成長下地層の領域の上に形成された縦方向成長半導体層１１４をエッチング等により除去する（図４（ＣＩ），図４（ＣＩＩ））。
最後に、光吸収層１０２上に電極１０３を形成し、さらに、上クラッド層１０７を形成する（図４（ＤＩ），図４（ＤＩＩ））。
本実施形態の受光素子１００の製造方法によれば、横方向成長を用いて光吸収層１０２を形成することにより、光吸収層１０２中の欠陥密度を小さくすることができる。これは、横方向成長を用いることにより、光吸収層１０２を単結晶構造とすることができるためである。その結果、電極１０３の間に生じる暗電流を抑えることができ、高感度な受光素子１００を製造することが可能となる。
また、横方向成長を用いて光吸収層１０２を形成することにより、簡便に、光吸収層１０２をセルフアライメントで精度良く光導波路１０１に光結合させることができる。このようにして製造された受光素子１００においては、エバネッセント結合により、光信号が導波路１０１から光吸収層１０２へ高効率に伝えられる。
また、横方向成長を用いて光吸収層１０２を形成することにより、光吸収層１０２中の欠陥密度を、縦方向成長を用いて形成した光吸収層の欠陥密度よりも小さくすることができる。これは、例えば、Ｓｉからなる成長下地層１１３からＳｉＧｅの結晶を成長させた場合、ＳｉとＳｉＧｅの格子定数の違いに起因した貫通転位が、縦方向成長により得られるＳｉＧｅに多く含まれるのに対し、横方向成長により得られるＳｉＧｅには僅かしか含まれないためである。
化学気相成長法などを用いて縦方向成長半導体層１１４を形成する際には、中間層１０６はマスク層として機能する。このように、中間層１０６が光導波路１０１をマスクすることにより、光導波路１０１の上部には、ＳｉｘＧｅ１−ｘ（０≦ｘ≦１）を縦方向に成長させずに、縦方向成長半導体層１１４から横方向に成長した光吸収層１０２を中間層上に形成することができる。
また、本実施形態の受光素子１００の製造方法によれば、成長下地層１１３と縦方向成長半導体層１１４をエッチング等により除去している。そのため、受光素子１００は成長下地層１１３と縦方向成長半導体層１１４を備えず、受光素子１００を使用するときに、光導波路１０１を伝播する光信号が成長下地層１１３に漏れることがない。また、光導波路１０１を伝播する光信号が縦方向成長半導体層１１４に吸収されることがない。そのため、受光素子１００の感度をより高くすることができる。
なお、上述の説明では、光導波路１０１と成長下地層１１３とを、同一の半導体層１１６から形成することとしたが、それぞれを独立に形成することも可能である。なお、同一の半導体層１１６から光導波路１０１と成長下地層１１３とを形成することにより、製造工程を簡易にすることができる。
成長下地層１１３に用いる半導体材料は特に限定されるものではなく、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、ＳｎなどのＩＶ族やＩＩＩ−Ｖ族の半導体を用いることとしても良い。
成長下地層１１３に用いる半導体材料として、例えば、単結晶Ｓｉを用いることができる。成長下地層１１３に単結晶Ｓｉを用いた場合、結晶品質の良い単結晶構造のＳｉｘＧｅ１−ｘ（０≦ｘ≦１）を得ることができる。例えば、成長時に用いるガスの比率を変えることにより、成長物の組成比率を変化させて単結晶Ｓｉ，単結晶Ｇｅを得ることができる。
上述の説明では、成長下地層１１３に単結晶構造の半導体材料を用いて、光吸収層１０２が単結晶構造である受光素子１００の製造方法について説明したが、成長下地層１１３及び光吸収層１０２は単結晶構造に限定されるものではない。例えば、成長下地層に多結晶Ｓｉ又はアモルファスＳｉなどを用いて、多結晶構造又はアモルファス構造の光吸収層を形成しても良い。この場合においても、横方向成長を用いて多結晶構造又はアモルファス構造の光吸収層を形成することにより、光吸収層中の欠陥密度を、縦方向成長を用いて形成した多結晶構造又はアモルファス構造の光吸収層の欠陥密度よりも小さくすることができる。これは、例えば、Ｓｉからなる成長下地層１１３からＳｉＧｅの結晶を成長させた場合、ＳｉとＳｉＧｅの格子定数の違いに起因した貫通転位が、縦方向成長により得られるＳｉＧｅに多く含まれるのに対し、横方向成長により得られるＳｉＧｅには僅かしか含まれないためである。光吸収層中の欠陥密度を小さくすることにより電極の間に生じる暗電流を抑えることができるため、本実施形態に係る製造方法により、高感度な受光素子を製造することが可能となる。
〔第２の実施形態〕
次に本発明の第２の実施形態の受光素子２００について説明する。図５（Ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る受光素子２００の平面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の平面図の５Ｂ−５Ｂ線断面図である。なお、説明の便宜のために、図５（Ａ）の図中には、上クラッド層２０７を表さないこととする。図５（Ｃ）は、図５（Ａ）平面図の５Ｃ−５Ｃ線断面図である。受光素子２００は、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）に示すように、基板２０４と、基板２０４上に位置する下クラッド層２０５と、下クラッド層２０５上に位置する光導波路２０１とを備える。さらに、光導波路２０１上には中間層２０６が配置される。さらに、中間層２０６上には光吸収層２０２が配置される。さらに、光吸収層２０２上には、一対の電極２０３が配置される。光吸収層２０２は単結晶構造のＩＶ族半導体又はＩＩＩ−Ｖ族半導体からなる。光吸収層２０２は、光導波路２０１を伝播する光信号を吸収する。受光素子２００は、電極２０３や光吸収層２０２を被覆する上クラッド層２０７を有する。
さらに、受光素子２００は、下クラッド層２０５上に位置する成長下地層２１３と、成長下地層２１３上に位置する縦方向成長半導体層２１４とを備える。
本実施形態の受光素子２００によれば、光吸収層２０２は単結晶構造のＩＶ族半導体又はＩＩＩ−Ｖ族半導体からなる。そのため、本実施形態の受光素子２００が備える光吸収層２０２の欠陥密度は小さい。その結果、本実施形態の受光素子２００では、電極２０３の間に発生する暗電流を小さくすることができ、受光素子２００の感度の低下を防ぐことができる。
次に、本実施形態に係る受光素子の製造方法について図６を用いて説明する。
図６（ＡＩ）〜図６（ＢＩ）は各製造工程における受光素子の断面図である。図６（ＡＩＩ）〜図６（ＢＩＩ）は、各製造工程における受光素子の平面図である。なお、説明の便宜のために、図６（ＡＩＩ）〜図６（ＢＩＩ）の図中には上クラッド層２０７を表さないこととする。
始めに、図６（ＡＩ），図６（ＡＩＩ）に示す受光素子を用意する。この受光素子を製造する方法は、第１の実施形態で図３（ＡＩ）〜図３（ＤＩ）、図４（ＡＩ）〜（図４（ＢＩ）を用いて説明した受光素子の製造方法と同じであるため、説明を省略する。
次に、光吸収層２０２上に電極２０３を形成し、さらに、上クラッド層２０７を形成する（図６（ＢＩ），図６（ＢＩＩ））。
本実施形態に係る受光素子の製造方法は、第１の実施形態に係る受光素子の製造方法と比べて、製造工程が少ない。これは、第１の実施形態に係る受光素子の製造方法では、成長下地層１１３と縦方向成長半導体層１１４をエッチング等により除去したのに対し（図４（ＣＩ）），本実施形態ではこの除去工程を省いたためである。つまり、本実施形態の製造方法では、成長下地層２１３、縦方向成長半導体層２１４をエッチング等により除去しない。そのため、本実施形態に係る受光素子の製造方法は製造工程が少なくなり、本製造方法を用いてより低コストで受光素子を製造することが可能となる。
なお、上述の説明では、成長下地層２１３に単結晶構造の半導体材料を用いて、光吸収層２０２が単結晶構造である受光素子２００の製造方法について説明したが、成長下地層２１３及び光吸収層２０２は単結晶構造に限定されるものではない。すなわち、成長下地層２１３に多結晶構造又はアモルファス構造のＩＶ族やＩＩＩ−Ｖ族の半導体を用いて、多結晶構造又はアモルファス構造の光吸収層を得ることができる。
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図７を用いて説明する。図７（Ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る受光素子３００の平面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の平面図の７Ｂ−７Ｂ線断面図である。なお、説明の便宜のために、図７（Ａ）の図中に上クラッド層３０７を表さないこととする。受光素子３００は、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、基板３０４と、基板３０４上に位置する下クラッド層３０５と、下クラッド層３０５上に位置する光導波路３０１とを備える。さらに、光導波路３０１上には、中間層３０６が配置される。さらに、中間層３０６上には光吸収層３０２が配置される。さらに、光吸収層３０２上には、一対の電極３０３が配置される。光吸収層３０２は単結晶構造のＩＶ族半導体又はＩＩＩ−Ｖ族半導体からなる。光吸収層３０２は、光導波路３０１を伝播する光信号３１６を吸収する。受光素子３００は、電極３０３や光吸収層３０２を被覆する上クラッド層３０７を有する。
さらに、図７（Ｂ）に示すように、光吸収層３０２の端部のみが中間層３０６を介して光導波路３０１の上に位置する。
本実施形態に係る受光素子３００によれば、光吸収層３０２の端部のみが中間層３０６を介して光導波路３０１上に位置するため、光導波路３０１から光吸収層３０２へ移った光信号３１６が光導波路３０１に戻るのを防ぐことができ、光吸収長をより短くすることができる。
〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態について図８を用いて説明する。図８に、本発明の第４の実施形態に係る受光素子４００の平面図を示す。受光素子４００は、第１の実施形態に係る受光素子と同様に、基板、下クラッド層、中間層、光導波路、光吸収層、一対の電極及び上クラッド層を備える。なお、説明の便宜のために、図８の図中には、上クラッド層、中間層、光吸収層及び電極を表さないこととする。
受光素子４００は、光導波路４０１の端部がテーパ構造４１７を有し、このテーパ構造４１７が中間層を介して光吸収層の下に位置する。このため、光導波路４０１と光吸収層との光結合箇所における光の反射や散乱を低減することができ、受光素子をより高感度化することができる。
なお、図８に示す例では、テーパ構造４１７を有する光導波路４０１が基板の一端から他端に渡って配置されているが、第３の実施形態と同様に、基板の一端から他端の距離に対する光導波路４０１の長さを短くして、テーパ構造４１７の端部のみを光吸収層の下に位置させても良い。
〔第５の実施形態〕
次に、本発明の第５の実施形態について図９を用いて説明する。図９は、本発明の第５の実施形態に係る受光素子５００の断面図である。受光素子５００は、第１の実施形態に係る受光素子１００と同様に、基板５０４、下クラッド層５０５、中間層５０６、光導波路５０１、光吸収層５０２、一対の電極５０３及び上クラッド層５０７を備える。
さらに、光吸収層５０２上にはＳｉｙＧｅ１−ｙ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）層５１８が配置される。ＳｉｙＧｅ１−ｙ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）層５１８は、光吸収層５０２を伝播する光の波長を吸収しない組成からなる。このように、ＳｉｙＧｅ１−ｙ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）層５１８が光吸収層５０２上に配置されることで、電極５０３に吸収される光の割合を低減することができ、受光素子５００をより高感度化することができる。
なお、ＳｉｙＧｅ１−ｙ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）層５１８は、上クラッド層よりも屈折率が大きい材料からなるものであれば良いため、例えば、ＳｉｙＧｅ１−ｙ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）層５１８の代わりにＳｉＮ層を用いても良い。ただし、ＳｉｙＧｅ１−ｙ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）層５１８の方が屈折率が大きいため、これを用いるのがより望ましい。
〔第６の実施形態〕
次に、本発明の第６の実施形態について図１０を用いて説明する。図１０は、受光素子６００を搭載した４０Ｇｂｐｓ伝送用の光通信デバイス６２７の断面図である。受光素子６００は、モジュール筐体６２６内に配置されたチップキャリア６２３上に搭載される。受光素子６００は、光ファイバ６２４およびレンズ６２０と光結合する。また、受光素子６００は、電気配線６２１を介してプリアンプＩＣ６２２と電気的に接続される。
本実施形態によれば、光通信デバイス６２７は高感度な受光素子６００を備えるため、光通信デバイス６２７を高性能化することができる。
〔第７の実施形態〕
次に、本発明の第７の実施形態について図１１を用いて説明する。図１１は、受光素子７００を搭載した光通信デバイスの断面図である。この光通信デバイスはチップ間インターコネクションモジュール７２８である。第１の搭載ボード７３５に搭載された光信号入力ファイバ７３９からの光信号は、凹面鏡７３６により受光素子７００に照射される。その後、光信号はフォトダイオード用電気配線層７３８を伝わる。そして、光信号に応じた電流がＬＳＩパッケージ７２９に搭載されたＬＳＩに流れる。フォトダイオード用電気配線層７３８は、ＬＳＩパッケージ７２９のフォトダイオード用電気配線ビア７３２に電気的に接続されている。ここで、光信号の入力には光ファイバの代わりに平面光導波路など一般的に知られた他の方法を用いることもできる。また、凹面鏡７３６の代わりに凸レンズなどの集光機構を用いることもできる。また、フォトダイオードの直後のフォトダイオード用電気配線層７３８の途中に電気信号増幅のためのプリアンプを置くこともできる。
ＬＳＩからの電気信号は、光源および変調用電気配線ビア７３０から第２の搭載ボード７３７に搭載された光源および変調用電気配線層７３３を通って、電気変調機構を備えたＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ；面発光レーザ）光源７３１により光信号に変換される。この光信号は凹面鏡７３６で反射されて光信号出力ファイバ７３４に送られる。なお、電気変調機構を備えたＶＣＳＥＬ光源７３１の代わりに、電気により光信号を変調する他の機構、例えば外部光源からの光信号を電気光学効果または熱光学効果により変調するマッハツエンダー型の変調器を用いても良い。
本実施形態によれば、チップ間インターコネクションモジュール７２８は高感度な受光素子７００を備えるため、チップ間インターコネクションモジュール７２８を高性能化することができる。
本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
この出願は、２０１０年７月１６日に出願された日本出願特願２０１０−１６１７０７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）基板と、前記基板上に位置する下クラッド層と、前記下クラッド層上に位置する光導波路と、前記光導波路上に位置する中間層と、前記中間層上に位置する光吸収層と、前記光吸収層上に位置する一対の電極と、を有し、前記光吸収層は単結晶構造のＩＶ族半導体又はＩＩＩ−Ｖ族半導体からなり、前記光吸収層は、前記光導波路を伝播する光信号を吸収する受光素子。
（付記２）前記光吸収層は、ＳｉｘＧｅ１−ｘ（０≦ｘ≦１）からなる付記１に記載の受光素子。
（付記３）前記光吸収層の端部のみが、前記中間層を介して前記光導波路上に位置する付記１又は２に記載の受光素子。
（付記４）前記光導波路の端部がテーパ構造を有し、前記端部が前記中間層を介して前記光吸収層下に位置する付記１から３のいずれか一項に記載の受光素子。
（付記５）前記光吸収層上にＳｉｙＧｅ１−ｙ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）層が位置する付記１から４のいずれか一項に記載の受光素子。
（付記６）前記光導波路は、Ｓｉからなる付記１から５のいずれか一項に記載の受光素子。
（付記７）前記受光素子が、ＭＳＭ型フォトダイオードまたはＰＩＮ型フォトダイオードである付記１から６のいずれか一項に記載の受光素子。
（付記８）付記１から７のいずれか一項に記載の受光素子を備える光通信デバイス。
（付記９）基板と、前記基板上に位置する下クラッド層と、前記下クラッド層上に位置する光導波路と、前記光導波路上に位置する中間層と、前記基板上に位置する成長下地層と、を有する第１の素子の前記成長下地層から、前記成長下地層に略垂直な方向に結晶を成長させ、成長した前記結晶が前記中間層の高さに達した後に、前記結晶を前記中間層の上面に略平行な方向に成長させて、前記中間層上に光吸収層を形成し、前記光吸収層上に一対の電極を形成する受光素子の製造方法。
（付記１０）前記基板上に下クラッド層を形成し、前記下クラッド層上に半導体層を形成し、前記半導体層をエッチングして、前記光導波路と前記成長下地層とを形成して、前記第１の素子を用意する付記９に記載の受光素子の製造方法。
（付記１１）前記光吸収層は、単結晶構造、多結晶、又はアモルファス構造のＩＶ族半導体又はＩＩＩ−Ｖ族半導体である付記９又は１０に記載の受光素子の製造方法。
（付記１２）前記成長下地層に単結晶構造、多結晶、又はアモルファス構造のＩＶ族半導体又はＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いる付記９又は１０に記載の受光素子の製造方法。
（付記１３）前記光吸収層は、単結晶構造である付記１１に記載の受光素子の製造方法。
（付記１４）前記中間層上に前記光吸収層を形成した後に、前記成長下地層と、前記成長下地層の上に形成された前記結晶とを除去する付記９から１３のいずれか一項に記載の受光素子の製造方法。
（付記１５）前記結晶を、化学気相成長法を用いて形成する付記９から１４のいずれか一項に記載の受光素子の製造方法。
（付記１６）付記９から１５のいずれか１項に記載の受光素子の製造方法により製造された受光素子を用いて光通信デバイスを形成する光通信デバイスの製造方法。
【産業上の利用可能性】
【００１０】
本発明は、受光素子及びそれを備えた光通信デバイス、並びに受光素子の製造方法及び光通信デバイスの製造方法に適用される。
【符号の説明】
【００１１】
１００、１５０、２００、３００、４００、５００、６００、７００    受光素子
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１    光導波路
１０２、２０２、３０２、５０２    光吸収層
１０３、２０３、３０３、５０３    電極
１０４、２０４、３０４、５０４    基板
１０５、２０５、３０５、５０５    下クラッド層
１０６、２０６、３０６、５０６    中間層
１０７、２０７、３０７、５０７    上クラッド層
１０８    ｐ型半導体
１０９    ｎ型半導体
１１０    ｐ電極
１１１    ｎ電極
１１３、２１３    成長下地層
１１４、２１４    縦方向成長半導体層
１１５    半導体層
３１６    光信号
４１７    テーパ構造
５１８    ＳｉｙＧｅ１−ｙ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）層
６２０    レンズ
６２１    電気配線
６２２    プリアンプＩＣ
６２３    チップキャリア
６２４    光ファイバ
６２６    モジュール筐体
７２８    チップ間インターコネクションモジュール
７２９    ＬＳＩパッケージ
７３０    変調用電気配線ビア
７３１    ＶＣＳＥＬ光源
７３２    フォトダイオード用電気配線ビア
７３３    光源および変調用電気配線層
７３４    光信号出力ファイバ
７３５    第１の搭載ボード
７３６    凹面鏡
７３７    第２の搭載ボード
７３８    フォトダイオード用電気配線層
７３９    光信号入力ファイバ
【図１Ａ】
2012008272.tif 000003
【図１Ｂ】
2012008272.tif 000004
【図１Ｃ】
2012008272.tif 000005
【図２】
2012008272.tif 000006
【図３ＡＩ】
2012008272.tif 000007
【図３ＡＩＩ】
2012008272.tif 000008
【図３ＢＩ】
2012008272.tif 000009
【図３ＢＩＩ】
2012008272.tif 000010
【図３ＣＩ】
2012008272.tif 000011
【図３ＣＩＩ】
2012008272.tif 000012
【図３ＤＩ】
2012008272.tif 000013
【図３ＤＩＩ】
2012008272.tif 000014
【図４ＡＩ】
2012008272.tif 000015
【図４ＡＩＩ】
2012008272.tif 000016
【図４ＢＩ】
2012008272.tif 000017
【図４ＢＩＩ】
2012008272.tif 000018
【図４ＣＩ】
2012008272.tif 000019
【図４ＣＩＩ】
2012008272.tif 000020
【図４ＤＩ】
2012008272.tif 000021
【図４ＤＩＩ】
2012008272.tif 000022
【図５Ａ】
2012008272.tif 000023
【図５Ｂ】
2012008272.tif 000024
【図５Ｃ】
2012008272.tif 000025
【図６ＡＩ】
2012008272.tif 000026
【図６ＡＩＩ】
2012008272.tif 000027
【図６ＢＩ】
2012008272.tif 000028
【図６ＢＩＩ】
2012008272.tif 000029
【図７Ａ】
2012008272.tif 000030
【図７Ｂ】
2012008272.tif 000031
【図８】
2012008272.tif 000032
【図９】
2012008272.tif 000033
【図１０】
2012008272.tif 000034
【図１１】
2012008272.tif 000035
【国際調査報告】
2012008272.tif 000036
2012008272.tif 000037